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(1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)機電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳 518055)

0 引言

無源供電方式可有效促進低功耗微電子設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)展。傳統(tǒng)的電池供電具有壽命有限，維護和更換成本高等缺點，而利用能量收集裝置將環(huán)境中的動能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)和方法成為研究熱點，成為解決可替代能源問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，人們對身體健康的要求也促使用于健康監(jiān)測的可穿戴智能設(shè)備或傳感器迅速發(fā)展起來，而將人體運動能轉(zhuǎn)換為電能并給可穿戴智能設(shè)備供電也引起了研究者的極大興趣。

壓電材料在外力的作用下會產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能，而利用壓電振動產(chǎn)生電能的裝置稱為壓電能量收集器(PEH),其具有功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單等特點。在此，首先從運動科學(xué)領(lǐng)域闡述了有關(guān)人體運動特性的研究，包括頻率、加速度和動能等，然后從實驗原型結(jié)構(gòu)設(shè)計、動能的來源、實現(xiàn)方法和性能等方面系統(tǒng)地綜述了當(dāng)前國內(nèi)外利用壓電振動采集人體運動能的主要研究成果，并對后續(xù)研究和發(fā)展方向提出了展望和預(yù)測。

1 人體運動特性

最早有研究者在其文獻中對人體日常各項運動如上肢運動、自然呼吸、步行等所能產(chǎn)生的機械能進行了比較研究[1]。其中步行運動所產(chǎn)生的動能可達(dá)60 W。同時，也從轉(zhuǎn)換效率的角度對生物機械能轉(zhuǎn)換為電能的可靠性進行了評估和分析。Yun等人研究了各類便攜式微電子設(shè)備工作狀態(tài)所需的平均功率[2]，如定位芯片的平均能耗約為15 mW，而MP3芯片的能耗僅為58 mW。故認(rèn)為將人體運動的機械能通過壓電材料轉(zhuǎn)換為電能完全能夠滿足各類微電子設(shè)備或健康監(jiān)測傳感器所需的能耗，且步行運動是最有可能。

眾多研究者從運動科學(xué)領(lǐng)域?qū)θ梭w運動特性進行了具體的分析和研究。如Tripathy等人在其文獻中指出，對于一個中等身材(175 cm身高)，且體重在70 kg左右的人來說，其正常步態(tài)下的步行頻率約為1 Hz[3]，而每步的平均距離在55～70 cm之間[4]；還有研究測試了腳后跟抬高時與地面約成46°，且相對于地面的垂直距離約為25 cm[5]；而腳后跟與地面碰撞的持續(xù)時間約為0.014 s[6]，此時的加速度可以達(dá)到5g[7]。綜上所述，研究者認(rèn)為這些運動特性能夠讓植入鞋底的壓電梁產(chǎn)生充足的電能[6]。

Ylli等人研究認(rèn)為，人的步行運動狀態(tài)下主要有3種方式產(chǎn)生動能[8]。其中，腳后跟與地面碰撞和小腿擺動時可產(chǎn)生加速度脈沖，如圖1a和圖1c所示；而腳底與地面接觸時由于人自身的重量可產(chǎn)生壓力，如圖1b所示。實驗結(jié)果表明：當(dāng)人以4 km/h的速度慢速步行時，小腿的擺動頻率為0.82 Hz，且在水平方向和垂直方向上分別可以產(chǎn)生5.2g和4.4g的平均加速度；而在10 km/h的速度下跑步運行時，小腿擺動頻率約為1.19 Hz，此時在水平方向和垂直方向上都可以產(chǎn)生約13g的平均加速度。

圖1 步行運動狀態(tài)及激勵方式示意

2 能量收集研究現(xiàn)狀

結(jié)合上述壓電材料和人體運動特性的分析，利用壓電振動收集人體運動能量主要有3種方式：利用人體自身的重量使得壓電材料發(fā)生彎曲變形從而產(chǎn)生電能；利用腳后跟與地面碰撞時產(chǎn)生的加速度脈沖使壓電梁振動；利用小腿的擺動來驅(qū)動壓電梁振動。在此，將從上述3個方面對基于壓電振動的人體運動能量收集技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行綜述，并為后續(xù)研究提供參考和方向。

2.1 壓電彎曲變形

PVDF是一種壓電聚合體，其柔韌性好，變形大，但壓電應(yīng)變系數(shù)要遠(yuǎn)小于PZT材料，因而輸出平均功率較小，但適合于承受交變載荷的場合，因此很多學(xué)者將PVDF材料植入鞋底，通過足部的壓力使之產(chǎn)生變形從而產(chǎn)生電壓。

Kymissis等人設(shè)計了一種嵌入式的壓電能量收集器，分別將PVDF和PZT壓電晶片安裝在腳掌和腳后跟位置[9]，如圖2所示，用于比較2種不同壓電材料在人的正常步行狀態(tài)下產(chǎn)生電能的效果。實驗結(jié)果表明，PZT晶片的發(fā)電性能是PVDF材料的2倍；還設(shè)計了后續(xù)的儲能電路和射頻信號發(fā)送裝置，平均每秒步行3～6步產(chǎn)生的電能就可以發(fā)射一個射頻信號，這種設(shè)計可以取代電池為GPS定位儀、步程計等設(shè)備供電。Fourie[10]和Mateu[11]等人在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面做了進一步的研究，并進行了實驗驗證。

圖2 嵌入鞋底的壓電能量收集裝置

結(jié)合PVDF材料柔性強的特性，Jung等人將PVDF材料制作成可植入鞋底和安裝在腕表上的彎曲形狀結(jié)構(gòu)，并分別進行試驗測試[12]，如圖3所示。其中裝在腕表上的PVDF材料在手臂旋轉(zhuǎn)條件下可以產(chǎn)生5 V以上的輸出電壓；另外，在正常步行條件下，植入鞋底的PVDF材料可以產(chǎn)生25 V的平均輸出電壓和20 μA的平均輸出電流，而在跑步條件下，產(chǎn)生的的平均輸出電壓和輸出電流更高，分別可達(dá)40 V和47 μA。

圖3 彎曲式壓電能量收集器

Haghbin制作了一個氣泵式的壓電能量收集裝置，其實驗原型裝置如圖4a所示[13]。通過壓縮空氣使得PZT薄膜發(fā)生彎曲變形，從而產(chǎn)生電能。整個能量收集裝置是密封式的，既可保護壓電材料，也可以很方便地植入鞋底并通過足跟的踩踏來產(chǎn)生電能，如圖4 b所示。利用跑步機進行的實驗測試表明，在4 mile/h的步行速度下可以產(chǎn)生1.24 mW的平均功率。

圖4 嵌入鞋底的氣泵式壓電能量收集器

Leinonen等人設(shè)計了一種鐃鈸式的壓電能量收集器，并將其植入鞋底，如圖5所示[14]。其壓電材料選用直徑為35 mm的PZT-5H圓盤，并采用鐃鈸結(jié)構(gòu)將壓電圓盤封裝并植入鞋底，在人體自身重量下產(chǎn)生變形。實驗結(jié)果表明，在1 Hz的步態(tài)下最大可以產(chǎn)生約800 μW的平均功率，而且理論與實驗的誤差僅在7%以內(nèi)。

圖5 嵌入鞋底的鐃鈸式壓電能量收集器

另外，Granstrom等人也充分利用了PVDF壓電材料柔性強的特性，將PVDF安裝在雙肩包的背帶內(nèi)[15]，如圖6所示，可通過背包的重量使PVDF產(chǎn)生應(yīng)變從而產(chǎn)生電能，實驗證明可以產(chǎn)生45.6 mW的平均功率。

圖6 用背包肩帶的壓電能量收集裝置

2.2 壓電振動

PZT是最常用的壓電材料，其壓電應(yīng)變系數(shù)大，輸出電壓高，缺點是比較脆，在變形較大時會發(fā)生脆性斷裂，因此通常將PZT制作成懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，并在振動的條件下產(chǎn)生電能。

如前所述，人的腳后跟在與地面碰撞瞬間能夠產(chǎn)生5g的加速度，所以Moro等人將壓電懸臂梁植入鞋的腳后跟處，利用步行時腳后跟的振動來產(chǎn)生電能，可以產(chǎn)生395 μW的平均功率，如圖7所示[16]。

圖7 嵌入鞋底的壓電懸臂梁振動型能量收集器

Hwang等人設(shè)計了踏板式的壓電振動能量收集裝置，如圖8所示[17]。實驗結(jié)果表明，當(dāng)體重為68 kg的人在踩踏裝置兩端的瓷磚時，與瓷磚相連的彈簧就可傳遞動能，驅(qū)動4個壓電梁振動，在一個周期內(nèi)可以產(chǎn)生約0.12 mW的平均功率。對該實驗裝置進行自由落體碰撞實驗，80 g的鋼球從1 m高度落到瓷磚時，可以產(chǎn)生約707 μW的平均功率，相比上述Moro等人研究的實驗原型裝置在功率方面可提高約203%。但這種分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，只能在刻意踩踏時才能產(chǎn)生電能，并不能像前面嵌入式的設(shè)計那樣在人的正常步行狀態(tài)條件下產(chǎn)生電能。

圖8 踏板式壓電能量收集器

Li等人首先從提高能量收集密度的角度出發(fā)，將壓電懸臂梁自由端的質(zhì)量塊設(shè)計成曲線L型[18]，如圖9所示。這樣可以減少壓電懸臂梁諧振頻率，其功率密度可達(dá)1.45 μW /cm3，相對于傳統(tǒng)的壓電懸臂梁提高了68%左右。將壓電梁安裝在一個型腔中并植入鞋底，實驗結(jié)果表明在3英里/小時的步行速度下平均輸出功率可達(dá)49 μW。

圖9 曲線L型質(zhì)量塊的壓電能量收集裝置

Meier等人根據(jù)人的步行運動特性提出一種壓電振動和彎曲雙模式的能量收集裝置，如圖10所示[19]。

圖10 壓電振動和彎曲雙模式能量收集裝置

壓電材料安裝在鞋底不同部位，既可隨腳后跟的振動發(fā)電，也能因腳掌的壓力導(dǎo)致彎曲變形而產(chǎn)生電能。其中，腳后跟部分采用剛性強的PZT材料，可以在振動的條件下發(fā)電；而柔性壓電材料則安裝腳掌處，在壓力作用下產(chǎn)生彎曲變形。同時，能量收集裝置中還安裝了具有儲能作用的集成電路模塊以及傳感模塊。實驗結(jié)果表明，一個身高1.8 m，體重90.7 kg的人從步行到跑步運動范圍內(nèi)，平均每步可以產(chǎn)生10～20 μJ的能量，且該數(shù)值是計算了儲能電路中集成電路和儲能電容的固有損耗之后的實際值。

上述研究都是以人腳后跟與地面碰撞所產(chǎn)生的垂直方向的振動加速度作為動力源來產(chǎn)生電能，而實際產(chǎn)生的振動加速度是多方向，只不過其他方向的振動頻率非常低，此時若采用上變頻原理就可沿其他方向的振動收集電能，從而提高整體的能量轉(zhuǎn)換和收集效率。Fan等人設(shè)計了一種非線性振動的壓電能量收集器，如圖11所示[20]。該收集器由壓電梁、套筒、鋼球和帶支撐柱的橫梁組成，其中壓電梁的自由度粘貼有磁鐵塊，而橫梁的中間位置也有固定的磁鐵塊，套筒安裝在壓電梁下方平行位置，而鋼球可在套筒里面自由滾動。實際工作中，壓電梁沿垂直方向振動，鋼球由于小腿的擺動而在套筒里面往復(fù)滾動，與上方磁鐵產(chǎn)生變化的磁場，并驅(qū)動壓電梁沿水平方向振動。實驗結(jié)果表明，在2～8 km/h的運動速度范圍內(nèi)，可產(chǎn)生0.03～0.35 mW的平均功率。

圖11 非線性振動壓電能量收集器

國內(nèi)的研究者如鄔登金等人將壓電陶瓷材料通過亞克力板安裝在地面上，并利用超級電容作為介質(zhì)來儲存電能[21]，在一個小時的集中踩踏下可以產(chǎn)生約0.36 W的功率。楊鑫銘等人也設(shè)計了一種踩踏式的壓電發(fā)電裝置，并將其安裝在樓梯臺階上[22]，如同發(fā)電地磚一樣，通過人在上下樓梯時的踩踏力產(chǎn)生的平均電能約為0.08～0.18 mJ/次。

2.3 碰撞振動

由于每個人步行速度和步態(tài)不一樣，其腳后跟產(chǎn)生的振動頻率和加速度也不同，而壓電梁在非諧振條件下輸出功率會大幅下降，為解決這一問題，很多研究者利用壓電碰撞振動的方法來收集電能。

Renaud等人研發(fā)了一種手搖式碰撞壓電能量收集器[23-24]，如圖12所示。在一個型腔的兩端分別安裝壓電懸臂梁，同時在垂直方向設(shè)計一個可容納滑塊往復(fù)運動的軌道。實驗結(jié)果表明，在10 Hz的手搖頻率下，質(zhì)量約為4 g的滑塊沿軌道來回碰撞兩邊的壓電梁，可以產(chǎn)生約600 μW的功率。

圖12 手搖式壓電能量收集裝置

類似的，Halim提出一種混合壓電和電磁2種發(fā)電方式的手搖式振動能量收集器[25]，通過碰撞的方式驅(qū)動壓電梁高頻諧振，同時壓電梁上固定的磁鐵也與線圈發(fā)生相對移動，這樣就能實現(xiàn)壓電和電磁同時發(fā)電，相對本文所研究的同型號電磁發(fā)電裝置而言[26]，可以大幅地提高功率密度。

Pozzi 等人利用步行時小腿的擺動作為動力源設(shè)計了壓電能量收集裝置，如圖13所示[27]。它包括轉(zhuǎn)子、定子、撥片和壓電晶片4部分，將其安裝在膝關(guān)節(jié)附近，在步行狀態(tài)下，當(dāng)小腿往復(fù)擺動時，利用撥片來連續(xù)撥動壓電懸臂梁從而產(chǎn)生電能[28]。實驗結(jié)果證明，在背上24 kg的背包之后，可以產(chǎn)生高達(dá)2.06 mW的電能。

圖13 膝關(guān)節(jié)連續(xù)撥動的壓電能量收集方法

在此，提出了一種并行驅(qū)動的壓電碰撞振動能量收集器，如圖14所示[29]。且與壓電梁平行放置，將實驗裝置安裝在人的腳踝處，在步行時圓柱滑塊上的多個圓弧面凸起就會碰撞壓電梁末端的圓弧質(zhì)量塊，從而導(dǎo)致壓電梁發(fā)生彎曲并自由振動。其中，圓弧質(zhì)量塊的優(yōu)化設(shè)計可以提高反向行程的碰撞作用效果，提高輸出功率[30]。實驗結(jié)果表明，在5 km/h的步行速度下，外接20 kΩ電阻時可以最大輸出51 μW的平均功率。在此研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了雙壓電梁能量收集器，相對于前面的研究而言，功率密度提高約50.7%[31]。

圖14 并行碰撞壓電能量收集裝置

3 結(jié)束語

基于壓電振動的能量采集技術(shù)作為一種可再生能源技術(shù)，具有使用壽命長、不需維護且無污染等特點。本文綜述了多種以人體運動為動力源的壓電振動發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)方法以及性能等方面進行了詳述。隨著可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展以及人們對健康監(jiān)測的需求，這類技術(shù)具有很廣泛的應(yīng)用前景，而目前的研究距離實用性還有一些差距，例如壓電能量收集裝置如何適應(yīng)人體運動的低頻特性以及各種不同的步態(tài)、如何提高用戶體驗、如何提高能量收集效率以及與智能監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合等方面。在后期研究中需要解決的問題和后期研究的方向和趨勢主要有以下幾個方面：

a.結(jié)合工業(yè)設(shè)計的概念以及鞋樣的結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足人體舒適性和實用性要求。

b.考慮到壓電振動輸出的交流電特性以及非連續(xù)性，需要設(shè)計高效率、低功耗的儲能集成電路模塊，從而提高儲能效率以及輸出穩(wěn)定的直流電。

c.結(jié)合健康監(jiān)測傳感和無線傳感功能，實現(xiàn)基于人體運動的可穿戴智能設(shè)備自供電技術(shù)及應(yīng)用。